Mehr Details im Signal dank vertikaler Auflösung

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Eine echte Auflösung von 12 Bit sind notwendig

Trotz einer verbesserten 8-Bit-Auflösung der Oszilloskope mit Enhanced- bzw. High-Resolution-Modus war klar, dass aufgrund der Einschränkungen dieser Verfahren eine echte Verbesserung der Auflösung notwendig sein wird. Zurzeit verwenden die meisten Oszilloskop-Hersteller mathematische Verfahren, um die 256 diskreten Spannungsstufen auf 4096 zu vergrößern.

Dazu sind umfangreiche nachträgliche Berechnungen notwendig, was mit Nachteilen verbunden ist. Teledyne LeCroy bietet verschieden Produktreihen von echten 12-Bit-Oszilloskopen wie HRO 6Zi, HDO 4000 und HDO 6000 mit Bandbreiten zwischen 200 MHz und 1 GHz. Mit den Messlösungen ist es möglich, präzise hoch-aufgelöste Messungen durchzuführen, ohne die Einschränkungen der Mittelung bzw. Enhanced bzw. High-Resolution-Modus.

Das Eingangssignal lässt sich bei voller Abtastrate und Bandbreite betrachten. Es besteht keine Notwendigkeit, das Rauschen des Signal mathematisch zu reduzieren, da die hohe Auflösung der 12-Bit-Oszilloskope verbesserte, rauscharme Eingangsverstärker und eine entsprechende Signalarchitektur erfordern. Es lässt sich brauchbares 12-Bit-Oszilloskop bauen, wenn lediglich ein 12-Bit-A/D-Wandler in ein vorhandenes 8-Bit-Oszilloskop eingebaut wird.

Beim Vergleich der Spezifikationen ergibt sich für ein 8-Bit-Oszilloskop ein theoretischer Dynamikbereich von 48 dB (ca. 6 dB pro Bit), während er für ein 12-Bit-Oszilloskop bei 72 dB liegt. In der Praxis ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei einem 8-Bit-Oszilloskop bei <40 dB. Sehr gute 8-Bit-Geräte verfügen über Eingangsverstärker und eine Signalarchitektur mit einem SNR von etwas mehr als 40 dB. Wird einfach ein A/D-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit in ein 8-Bit-Scope verbaut, so verbessern sich die Messergebnisse nicht.

Die High-Definition-Oszilloskope machen es notwendig, dass eine rauscharme Technologie für den Eingangsbereich und die Signalverarbeitung zusätzlich zu einem leistungsfähigeren A/D-Wandler zum Einsatz kommt. Dadurch lässt sich die Dynamik um mehr als 15 dB im Vergleich zu 8-Bit-Oszilloskopen verbessern. Der SNR liegt bei einem Wert von 55 dB. Weiterhin verfügen die 12-Bit-Oszilloskope über eine verbesserte DC-Genauigkeit von ±0,5 Prozent gegenüber ±2 Prozent bei 8-Bit-Geräten. Auf die effektiven Bits bezogen eine Verbesserung um 2,5 Bit. Das verbessert die Signale sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzebene.

Verbessert werden konnte ebenfalls die statistische Betrachtung, da das reduzierte Rauschen bei der Erfassung die Suche nach Abweichungen und Grenzwerten der Messparameter weniger beeinflusst. Der Anwender kann das Signal mit sehr viel geringerem Einfluss von der Signalerfassung-Architektur des Oszilloskops untersuchen.

Selbst kleine Details besser sichtbar

In den Bildern 3 a/b sieht man den erfassten Abschaltvorgang. Das obere Signal wurde mit einem 8-Bit, das untere mit einem echten 12-Bit-Oszilloskop erfasst. Deutlich ist der Vorteil der neuen 12-Bit-Technologie im Vergleich zu einem konventionellen 8-Bit-Gerät zu sehen: deutliche, schärfere Signale ohne nachträglich zu Mitteln oder den High-Resolution-Modus zu verwenden. In einem weiteren Beispiel (Bild 4a/b) zeigt sich erneut der Vorteil der 12-Bit-Architektur im Vergleich mit einem 8-Bit-Oszilloskop. Obwohl ein großer vertikaler Messbereich ausgewählt werden musste, um das Signal komplett darstellen zu können, lassen sich mit einem echten 12-Bit-Oszilloskop durch dessen höhere Auflösung selbst kleine Details auf dem Rechtecksignal deutlich besser erkennen, als es mit dem 8-Bit-Oszilloskop möglich wäre.

* Thomas Stüber ist Applikations-Ingenieur bei Teledyne LeCroy in Heidelberg.

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